Question

【題目】CH4-CO2催化重整不僅可以得到合成氣（CO和H2），還對溫室氣體的減排具有重要意義。回答下列問題：

（1）CH4-CO2催化重整反應為：CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)。

已知：C(s)+2H2(g)=CH4(g) ΔH=-75 kJ·mol1

C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH=-394 kJ·mol1

C(s)+1/2O2(g)=CO(g) ΔH=-111 kJ·mol1

該催化重整反應的ΔH==______ kJ·mol1。有利于提高CH4平衡轉化率的條件是____（填標號）。

A．高溫低壓 B．低溫高壓 C．高溫高壓 D．低溫低壓

某溫度下，在體積為2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2以及催化劑進行重整反應，達到平衡時CO2的轉化率是50%，其平衡常數為_______mol2·L2。

（2）反應中催化劑活性會因積碳反應而降低，同時存在的消碳反應則使積碳量減少。

相關數據如下表：

		積碳反應 CH4(g)=C(s)+2H2(g)	消碳反應 CO2(g)+C(s)=2CO(g)
ΔH/(kJ·mol1)		75	172
活化能/ (kJ·mol1)	催化劑X	33	91
	催化劑Y	43	72

①由上表判斷，催化劑X____Y（填“優于”或“劣于”），理由是_________________。在反應進料氣組成、壓強及反應時間相同的情況下，某催化劑表面的積碳量隨溫度的變化關系如圖所示。升高溫度時，下列關于積碳反應、消碳反應的平衡常數（K）和速率（v）的敘述正確的是________填標號）。

A．K積、K消均增加 B．v積減小，v消增加

C．K積減小，K消增加 D．v消增加的倍數比v積增加的倍數大

②在一定溫度下，測得某催化劑上沉積碳的生成速率方程為v=k·p(CH4)·[p(CO2)]-0.5（k為速率常數）。在p(CH4)一定時，不同p(CO2)下積碳量隨時間的變化趨勢如圖所示，則pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2)從大到小的順序為________________。

Answer 1

【答案】 247 A 劣于 相對于催化劑X，催化劑Y積碳反應的活化能大，積碳反應的速率小；而消碳反應活化能相對小，消碳反應速率大 AD pc(CO2)、pb(CO2)、pa(CO2)

【解析】分析：（1）根據蓋斯定律計算；根據反應特點結合溫度和壓強對平衡狀態的影響解答；根據轉化率利用三段式計算平衡常數；

（2）①根據活化能對反應的影響分析；根據反應熱結合溫度對平衡狀態的影響以及圖像曲線變化趨勢解答；

②根據反應速率方程式分析影響其因素結合圖像解答。

詳解：（1）已知：

①C(s)+2H2(g)=CH4(g) ΔH=-75 kJ·mol1

②C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH=-394 kJ·mol1

③C(s)+1/2O2(g)=CO(g) ΔH=-111 kJ·mol1

根據蓋斯定律可知③×2－②－①即得到該催化重整反應CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)的ΔH=＋247 kJ·mol1。正反應是體積增大的吸熱反應，所以有利于提高CH4平衡轉化率的條件是高溫低壓，答案選A；某溫度下，在體積為2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2以及催化劑進行重整反應，達到平衡時CO2的轉化率是50%，根據方程式可知

CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)

起始濃度（mol/L） 1 0.5 0 0

轉化濃度（mol/L） 0.25 0.25 0.5 0.5

平衡濃度（mol/L） 0.75 0.25 0.5 0.5

所以其平衡常數為mol2·L2。

（2）①根據表中數據可知相對于催化劑X，催化劑Y積碳反應的活化能大，積碳反應的速率小；而消碳反應活化能相對小，消碳反應速率大，所以催化劑X劣于Y。A．正反應均是吸熱反應，升高溫度平衡向正反應方向進行，因此K積、K消均增加，A正確；B．升高溫度反應速率均增大，B錯誤；C．根據A中分析可知選項C錯誤；D．積碳量達到最大值以后再升高溫度積碳量降低，這說明v消增加的倍數比v積增加的倍數大，D正確。答案選AD。

②根據反應速率方程式可知在p(CH4)一定時，生成速率隨p(CO2)的升高而降低，所以根據圖像可知pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2)從大到小的順序為pc(CO2)、pb(CO2)、pa(CO2)。